CN108121836B

CN108121836B - 具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法及系统

Info

Publication number: CN108121836B
Application number: CN201611072301.0A
Authority: CN
Inventors: 胡亦斌; 刘磊; 郭鸿
Original assignee: Hongzhiwei Technology Shanghai Co ltd
Current assignee: Hongzhiwei Technology Shanghai Co ltd
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2036-11-29
Also published as: CN108121836A

Abstract

本发明涉及电子输运仿真，公开了一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法及系统。在本申请中，将LDA+U势与NEGF‑DFT方法相结合，从而与轨道相关的强关联效应可以在存在电流的非平衡状态下得到预测，以处理电子之间存在强关联的体系中的非平衡量子输运问题。此外，使中间区的哈密顿量自洽，使得与轨道相关的强关联效应可以得到更准确地预测；通过将自能项加入到电子密度的计算中，可以把无限大的结构转化为有限的体系。

Description

具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法及系统

技术领域

本发明涉及电子输运仿真，特别涉及具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法及系统。

背景技术

当纳米体系中的电子存在很强的关联作用时，非平衡格林函数-密度泛函理论(non-equilibrium Green's function-density functional theory，NEGF-DFT)的方法中用现有的局域密度近似(local density approximation，LDA)和广义梯度近似(generalized gradient approximation，GGA)来计算输运问题，就不能很好地预测器件的物理性质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法及系统，能够处理电子之间存在强关联的体系中的非平衡量子输运问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法，方法包括以下步骤：

步骤a构建所需研究的电子输运体系，电子输运体系包括两个无限大的电极和中间区，中间区位于两个无限大的电极之间并包含散射区和该散射区两侧的缓冲区；

步骤b对具有局域轨道作用的电子计算库伦排斥能和电子交换能；

步骤c根据中间区的第一哈密顿量使用非平衡格林函数来计算中间区的电子密度ρ；

步骤d根据库伦排斥能、电子交换能和中间区的电子密度来计算中间区的LDA+U势V_LDA+U[ρ]和LDA势V_LDA[ρ]；

步骤e将中间区的哈密顿量H[ρ]＝T+V_const+V_eff[ρ]中的V_eff[ρ]替换为V′_eff[ρ]＝V_eff[ρ]+(V_LDA+U[ρ]-V_LDA[ρ])，从而得到所述中间区的第二哈密顿量H'[ρ]＝T+V_const+V′_eff[ρ]，其中T表示电子动能，V_const表示不依赖电子密度的势，V_eff[ρ]表示依赖电子密度的有效势；

步骤f根据中间区的第二哈密顿量来计算中间区的电子结构信息。

本发明的实施方式还公开了一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算系统，系统包括：

构建模块，用于构建所需研究的电子输运体系，电子输运体系包括两个无限大的电极和中间区，中间区位于两个无限大的电极之间并包含散射区和该散射区两侧的缓冲区；

第一计算模块，用于对具有局域轨道作用的电子计算库伦排斥能和电子交换能；

第二计算模块，用于根据中间区的第一哈密顿量使用非平衡格林函数来计算中间区的电子密度ρ；

第三计算模块，用于根据库伦排斥能、电子交换能和中间区的电子密度来计算中间区的LDA+U势V_LDA+U[ρ]和LDA势V_LDA[ρ]；

第四计算模块，用于将中间区的哈密顿量H[ρ]＝T+V_const+V_eff[ρ]中的V_eff[ρ]替换为V′_eff[ρ]＝V_eff[ρ]+(V_LDA+U[ρ]-V_LDA[ρ])，从而得到所述中间区的第二哈密顿量H'[ρ]＝T+V_const+V′_eff[ρ]，其中T表示电子动能，V_const表示不依赖电子密度的势，V_eff[ρ]表示依赖电子密度的有效势；以及

第五计算模块，用于根据中间区的第二哈密顿量来计算中间区的电子结构信息。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

在本申请中，将LDA+U势与NEGF-DFT方法相结合，从而与轨道相关的强关联效应可以在存在电流的非平衡状态下得到预测，以处理电子之间存在强关联的体系中的非平衡量子输运问题；

进一步地，使中间区的哈密顿量自洽，使得与轨道相关的强关联效应可以得到更准确地预测；

进一步地，利用非平衡格林函数计算电子密度时，将自能项考虑进来，可以把无限大的结构转化为有限的体系。

附图说明

图1是本发明第一实施方式中一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法的流程示意图；

图2是本发明第一实施方式中构建的电子输运体系的结构示意图；

图3是本发明第二实施方式中一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法的流程示意图；

图4是本发明第二实施方式中Fe/MgO/Fe的原子结构示意图；

图5是本发明第二实施方式中电子波函数的平方在Fe/MgO/Fe界面处的分布；

图6是本发明第三实施方式中一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算系统的结构示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

纳米电子学中目前最高级的量子输运建模技术是非平衡格林函数-密度泛函理论(NEGF-DFT)的方法。在NEGF-DFT仿真中，器件操作过程中的非平衡量子物理信息可以从NEGF中得到，器件的材料性质可以从解类DFT势来得到。在无需非平衡经验参数的条件下，用NEGF-DFT从头自洽计算来预测器件物理。

现有全部NEGF-DFT方法中，交换关联势V_xc是器件哈密顿量的一部分，必须从自洽过程中的密度矩阵中获得。因为精确的V_xc数学形式是未知的，所以有很多近似方法来获取。在没有强关联作用的器件中，V_xc通常用局域密度近似(LDA)、广义梯度近似(GGA)、电荷密度局域/半局域泛函这三种方法来近似得到。特别地，由于NEGF-DFT量子输运仿真需要大量的计算成本，LDA或GGA常用在现有的NEGF-DFT方法中。

有些器件的量子输运性质主要由材料中的电子的强关联来决定。包含强关联效应的典型材料是过渡金属氧化物或氮化物，例如氧化铁等。对于这类情况，LDA和GGA便不能正确预测器件的性质。

DFT是基于最小化体系的总能量，

从上式可以得到Kohn-Sham(KS)方程：

在KS方程中，第一项是单电子动能，第二项是外势(包括了原子核的势)，第三项是Hartree势，第四项是交换关联势。ρ(r)是在空间位置r上的电子密度。在式(2)中，取交换关联势为局域的，有如下形式：U_XC[ρ]＝∫drU_XC(ρ(r))。交换关联势的这种形式近似，叫做LDA。一旦解出KS方程，那么电子密度ρ(r)、总能量、哈密顿量、以及系统所有其他的物理量都可以获得。所以需要说明泛函U_XC[ρ]。

最简单的U_XC(ρ(r))近似是LDA，有自旋的情况是局域自旋密度近似(local spindensity approxination，LSDA)。尽管LDA/LSDA交换关联泛函从均匀电子气中获得，但可用于电子密度不均匀的系统，对许多材料来说获得的结果与实验数据相比都是合理的。这就是LDA/LSDA方法广泛用于DFT计算中的原因。但LDA/LSDA泛函的出发点有一定限制，比如，当系统的电子密度在很短的距离内剧烈变化时，它们就不是很好的近似；或当电子波函数只局域在很小的区域内，而不是扩展到整个体系时。

本发明的发明人发现，LDA+U技术可以用来处理有关电子强关联的物理问题。在LDA+U中，用U来表示局域轨道电子强关联对材料电子势能的贡献。同时，LDA+U方法移除了在LDA/GGA中的非物理自相互作用。基于此，本发明提供了一套方法，把LDA+U和NEGF-DFT方法结合起来以处理非平衡量子输运问题。具体如下：

本发明第一实施方式涉及一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法。图1是该具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法的流程示意图。如图1所示，该具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法包括以下步骤：

在步骤101中，构建所需研究的电子输运体系，电子输运体系包括两个无限大的电极和中间区，中间区位于两个无限大的电极之间并包含散射区和该散射区两侧的缓冲区。图2示出了一个示例性电子输运体系，如图2所示，该电子输运体系包括左电极和右电极，两个电极之间夹着一个中间区(包含散射区和缓冲区)，不同的电极分别具有不同的电化学势μ_L和μ_R，当两边的电化学势不相等时，电流从一个电极流向另一个电极。在这样体系中的计算，完全不同于通常的平衡态DFT计算。

可以理解，中间区中的散射区会对附近的区域产生影响，因此为了使散射区不对电极造成影响，把电极区域中靠近散射区的一部分作为缓冲区，并作为中间区的一部分。只要缓冲区足够长，就可以把散射区对电极的影响抵消掉。缓冲区的设置为本领域技术人员的公知常识，在此不作赘述。

此后进入步骤102，对具有局域轨道作用的电子计算库伦排斥能U(coulombenergy)和电子交换能J(electron exchange energy)。其中，J是依赖于电子轨道的电子交换能，是由量子力学波函数的全同粒子交换反对称性(电子是费米子)和泡利不相容原理所带来的，是对经典库伦能的量子修正。具有局域轨道作用是指材料中原子轨道上的电子之间有比较强的相互作用(例如库伦排斥能是跃迁能的几倍或以上)，如过渡金属氧化物中的3d电子体系等。可以理解，本申请的计算方法也可以应用于除了过渡金属氧化物中的3d电子体系之外具有局域轨道作用的其他电子体系中。

此后进入步骤103，根据中间区的第一哈密顿量使用非平衡格林函数来计算中间区的电子密度ρ。可以理解，此处的中间区的第一哈密顿量在初始时，可以在不考虑LDA+U效应的情况下，用NEGF-DFT方法得到。优选地，在步骤103中使用自能项来计算中间区的电子密度，利用非平衡格林函数计算电子密度时，可以把两个无限大的电极作为自能项考虑进来，所述自能项表示电极对中间区的作用。通过将自能项加入到电子密度的计算中，可以把无限大的结构转化为有限的体系。可以理解，自能项的具体计算为本领域技术人员的公知常识，在此不作赘述。此外，可以理解，也可以使用自能项以外的方法进行计算。

此后进入步骤104，根据库伦排斥能U、电子交换能J和中间区的电子密度ρ来计算中间区的LDA+U势V_LDA+U[ρ]和LDA势V_LDA[ρ]。其中，LDA+U增加了用来表示单原子局域轨道性质的近似项。从某种意义上说，LDA+U是把原子物理植入到固态环境中。LDA+U可以被很好地用来仿真材料。特别的，LDA+U中的交换关联势可以写为：

V^LDA+U[ρ^σ(r),{n^σ}]＝V^LDA[ρ^σ(r)]+E^U[{n^σ}]-E_dc[{n^σ}] (3)

其中，σ表示自旋，ρ^σ(r)表示在位置r处的自旋为σ的电子密度，n^σ表示自旋为σ的电子密度矩阵，n表示总的电子密度矩阵。V^LDA[ρ^σ(r)]是标准的局域密度近似(local densityapproximation，LDA)泛函。

表示轨道极化能。E_dc[{n^σ}]用于修正由于轨道极化带来的重复计算(double counting)的能量。从上式(5)可以看到，可以根据库伦排斥能U和电子交换能J得到E_dc[{n^σ}]，进而得到LDA+U势。

此后进入步骤105，将中间区的哈密顿量H[ρ]＝T+V_const+V_eff[ρ]中的V_eff[ρ]替换为V′_eff[ρ]＝V_eff[ρ]+(V_LDA+U[ρ]-V_LDA[ρ])，从而得到所述中间区的第二哈密顿量H′[ρ]＝T+V_const+V′_eff[ρ]，其中T表示电子动能，V_const表示不依赖电子密度的势，V_eff[ρ]表示依赖电子密度的有效势。

此后进入步骤106，根据中间区的第二哈密顿量来计算中间区的电子结构信息。

可以理解，上述各步骤并不一定按上述顺序进行，例如步骤102也可以在步骤103之后或者与步骤103同时进行，只要能实现本申请技术方案的顺序都落入本申请的保护范围内。

在本实施方式中，将LDA+U势与NEGF-DFT方法相结合，从而与轨道相关的强关联效应可以在存在电流的非平衡状态下得到预测，以处理电子之间存在强关联的体系中的非平衡量子输运问题。

本发明第二实施方式涉及一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法。图3是该具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法的流程示意图。

第二实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：使中间区的哈密顿量自洽，使得与轨道相关的强关联效应可以得到更准确地预测。具体地说：

如图3所示，在步骤105之后，步骤106之前还包括以下步骤：

在步骤301中，判断中间区的第二哈密顿量是否收敛，

如果中间区的第二哈密顿量不收敛，则返回步骤103并将步骤103中的中间区的第一哈密顿量替换为中间区的第二哈密顿量后重新计算中间区的第二哈密顿量，即重新执行步骤103至105。

如果中间区的第二哈密顿量收敛，则进入步骤106。

可以理解，判断收敛的数值可以根据需要进行设置。此外，可以理解，在本申请的其他实施方式中也可以设定有限次数的循环来计算中间区的第二哈密顿量，同样可以达到较佳的效果。

上述具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法可以应用于磁性隧穿结。例如，电极和缓冲区为Fe、散射区为MgO的磁性隧穿结，此时在步骤102中，对Fe/MgO界面上Fe的3d轨道电子计算库伦排斥能和电子交换能。

图4示出了Fe/MgO/Fe的磁性隧穿结，如图4所示，在Fe/MgO的界面上是FeO_0.5的界面层。整个体系与图2所描述的相一致，即Fe电极分别向左右作无限延伸。体系在横向(X、Y方向，平行于界面)是周期性的，电极沿着Z方向半无限延伸。

由于FeO_0.5界面层的存在，电子的局域化效应起着重要作用，这层结构可以是器件的一个强关联子系统。为了正确预测在这类器件中的量子输运性质，LDA/LSDA方法是不够的，因此必须要使用LDA+U的方法来正确处理这层结构中的Fe-3d态。在这个例子中，调查了左边氧化FeO_0.5层的关联效应，新的方法可以预测它们对器件的隧穿磁阻(tunnelingmagneto-resistance，TMR)的影响。

首先计算在界面层FeO_0.5上Fe-3d电子的有效库伦排斥势(即U-J)，发现它的值为4.6eV，比FeO晶体中的计算值5.9eV要小一些。在我们的体系中，U的减小是由于在FeO_0.5层的一边存在Fe电极，Fe电极中的自由电子增大了FeO_0.5层上的格点库伦排斥势的屏蔽作用。这已经被证明是传统晶体和输运结之间的主要差异。

最重要的不同点是MgO层中散射态的衰减行为。图5是电子波函数(散射态)的平方在界面处的分布。(a)和(b)分别表示在Fe/MgO/Fe界面(含FeO_0.5界面层)上最低和次低的衰减隧穿态。波函数在X-Y平面上是可积的。计算了在Γ点自旋向上位于费米能处的情形。箭头指示FeO_0.5在两个界面上的位置。如图5所示，衰减速率在有无关联效应时表现不一样。即，在有U时比没有U时散射态衰减得更快，意味着TMR的值十分不同。

当有效库伦排斥势U_eff为0eV和4.6eV时自旋向上(T↑)和自旋向下(T↓)通道的透射系数，以及预测的TMR值见表1，其中PC和APC分别表示铁磁层磁矩平行和反平行的构型。注意到，没有U时(用LSDA计算)，TMR的值为1942％，但用LDA+U方法时，降到了60％。事实上，典型器件在实验中测得的TMR值都比较低。例如，商业上由公司生产的器件的典型TMR值在50％～100％之间。另一方面，在学术实验室中制造的器件，由于非常精细的材料处理，能够达到1000％。

表1

可以理解，以上仅为一优选实施例，具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法也可以应用于其他类似体系中。

本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable ArrayLogic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。

本发明第三实施方式涉及一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算系统。图6是该具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算系统的结构示意图。如图6所示，该具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算系统包括：

构建模块，用于构建所需研究的电子输运体系，电子输运体系包括两个无限大的电极和中间区，中间区位于两个无限大的电极之间并包含散射区和该散射区两侧的缓冲区。

第一计算模块，用于对具有局域轨道作用的电子计算库伦排斥能和电子交换能。

第二计算模块，用于根据中间区的第一哈密顿量使用非平衡格林函数来计算中间区的电子密度ρ。优选地，上述第二计算模块使用自能项来计算中间区的电子密度，利用非平衡格林函数计算电子密度时，可以把两个无限大的电极作为自能项考虑进来，所述自能项表示两个无限大的电极对中间区的作用。通过将自能加入到电子密度的计算中，可以把无限大的结构转化为有限的体系。

第四计算模块，用于将中间区的哈密顿量H[ρ]＝T+V_const+V_eff[ρ]中的V_eff[ρ]替换为V′_eff[ρ]＝V_eff[ρ]+(V_LDA+U[ρ]-V_LDA[ρ])，从而得到所述中间区的第二哈密顿量H′[ρ]＝T+V_const+V′_eff[ρ]，其中T表示电子动能，V_const表示不依赖电子密度的势，V_eff[ρ]表示依赖电子密度的有效势。以及

第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第四实施方式涉及一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算系统。第四实施方式在第三实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：使中间区的哈密顿量自洽，使得与轨道相关的强关联效应可以得到更准确地预测。具体地说：

第四计算模块包括判断子模块，判断子模块用于判断中间区的第二哈密顿量是否收敛，

在判断子模块确认中间区的第二哈密顿量不收敛时，第二计算模块将中间区的第一哈密顿量替换为中间区的第二哈密顿量并且第二计算模块、第三计算模块和第四计算模块重新计算中间区的第二哈密顿量。

第五计算模块在判断子模块确认中间区的第二哈密顿量收敛时，根据中间区的第二哈密顿量来计算中间区的电子结构信息。

上述具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算系统可以应用于磁性隧穿结。例如，电极和缓冲区为Fe、散射区为MgO的磁性隧穿结，此时第一计算模块对Fe/MgO界面上Fe的3d轨道电子计算库伦排斥能和电子交换能。

第二实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

需要说明的是，本发明各设备实施方式中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合才是解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各设备实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的单元。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤a构建所需研究的电子输运体系，所述电子输运体系包括两个无限大的电极和中间区，所述中间区位于两个无限大的电极之间并包含散射区和该散射区两侧的缓冲区；

步骤c根据所述中间区的第一哈密顿量使用非平衡格林函数来计算所述中间区的电子密度ρ；

步骤d根据所述库伦排斥能、所述电子交换能和所述中间区的电子密度来计算所述中间区的LDA+U势V_LDA+U[ρ]和LDA势V_LDA[ρ]；

步骤e将中间区的哈密顿量H[ρ]＝T+V_const+V_eff[ρ]中的V_eff[ρ]替换为V′_eff[ρ]＝V_eff[ρ]+(V_LDA+U[ρ]-V_LDA[ρ]),从而得到所述中间区的第二哈密顿量H′[ρ]＝T+V_const+V′_eff[ρ]，其中T表示电子动能，V_const表示不依赖电子密度的势，V_eff[ρ]表示依赖电子密度的有效势；

步骤f根据所述中间区的第二哈密顿量来计算所述中间区的电子结构信息；

在所述步骤e之后，所述步骤f之前还包括以下步骤：

判断所述中间区的第二哈密顿量是否收敛，

如果所述中间区的第二哈密顿量不收敛，则将所述步骤c中的所述中间区的第一哈密顿量替换为所述中间区的第二哈密顿量后重新计算所述中间区的第二哈密顿量；

如果所述中间区的第二哈密顿量收敛，则执行所述步骤f。

2.根据权利要求1所述的具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法，其特征在于，在所述步骤c中使用自能项来计算所述中间区的电子密度，所述自能项表示所述两个无限大的电极对所述中间区的作用。

3.根据权利要求1或2所述的具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法，其特征在于，所述电极和所述缓冲区为Fe，所述散射区为MgO；

在所述步骤b中，对Fe/MgO界面上Fe的3d轨道电子计算库伦排斥能和电子交换能。

4.根据权利要求1或2所述的具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法，其特征在于，所述具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算方法应用于磁性隧穿结。

5.一种具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算系统，其特征在于，所述系统包括：

构建模块，用于构建所需研究的电子输运体系，所述电子输运体系包括两个无限大的电极和中间区，所述中间区位于两个无限大的电极之间并包含散射区和该散射区两侧的缓冲区；

第二计算模块，用于根据所述中间区的第一哈密顿量使用非平衡格林函数来计算所述中间区的电子密度ρ；

第三计算模块，用于根据所述库伦排斥能、所述电子交换能和所述中间区的电子密度来计算所述中间区的LDA+U势V_LDA+U[ρ]和LDA势V_LDA[ρ]；

第四计算模块，用于将中间区的哈密顿量H[ρ]＝T+V_const+V_eff[ρ]中的V_eff[ρ]替换为V′_eff[ρ]＝V_eff[ρ]+(V_LDA+U[ρ]-V_LDA[ρ])，从而得到所述中间区的第二哈密顿量H′[ρ]＝T+V_const+V′_eff[ρ]，其中T表示电子动能，V_const表示不依赖电子密度的势，V_eff[ρ]表示依赖电子密度的有效势；以及

第五计算模块，用于根据所述中间区的第二哈密顿量来计算所述中间区的电子结构信息；

所述第四计算模块包括判断子模块，所述判断子模块用于判断所述中间区的第二哈密顿量是否收敛，

在所述判断子模块确认所述中间区的第二哈密顿量不收敛时，所述第二计算模块将所述中间区的第一哈密顿量替换为所述中间区的第二哈密顿量并且所述第二计算模块、所述第三计算模块和所述第四计算模块重新计算所述中间区的第二哈密顿量；

所述第五计算模块在所述判断子模块确认所述中间区的第二哈密顿量收敛时，根据所述中间区的第二哈密顿量来计算所述中间区的电子结构信息。

6.根据权利要求5所述的具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算系统，其特征在于，所述第二计算模块使用自能项来计算所述中间区的电子密度，所述自能项表示所述两个无限大的电极对所述中间区的作用。

7.根据权利要求5或6所述的具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算系统，其特征在于，所述电极和所述缓冲区为Fe，所述散射区为MgO；

所述第一计算模块对Fe/MgO界面上Fe的3d轨道电子计算库伦排斥能和电子交换能。

8.根据权利要求5或6所述的具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算系统，其特征在于，所述具有局域轨道作用的非平衡态电子结构的计算系统应用于磁性隧穿结。